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摘要一、前言 近年來因濁水溪出海口向南輸砂近岸沉積，麥寮以北呈現大幅淤積趨勢，造成出海口回淤、外傘頂洲砂源減少，亦使濁水溪河口段揚塵問題加劇。水利署第四河川局刻正辦理相關計畫，期將濁水溪河口段河床泥砂藉由水力排至出海口外、補充外傘頂洲砂源及減少濁水溪揚塵等效果。本所配合水利署第四河川局數模規劃計畫，經由濁水溪河口段動床水工模型之變量流動床試驗、分析濁水溪河口段現況與工程方案之河道流路、沖淤變化及輸砂量等，可提供水利署第四河川局數模分析、束水攻砂工程方案成效驗證及後續河口淤積改善對策研擬與工程設計參考。二、資料蒐集分析 (一)水文資料蒐集濁水溪之河口段各重現期距洪水流量、歷年河口麥寮站潮位歷線、溪州站流量歷線及西濱大橋水位歷線等。經選擇其中7場洪水事件(第1場洪水(101年0610豪雨)、第2場洪水(蘇拉颱風)、第3場洪水(102年蘇力颱風)、第4場洪水(潭美颱風)、第5場洪水(康芮颱風)、第6場洪水(天兔颱風)、第7場洪水(106年0602豪雨))，可分別供模型上游加砂量之檢定與驗證、現況及工程方案等試驗探討。 (二)地文資料1、蒐集民國100年、107年(現況)及工程方案布置之濁水溪河道地形與河口海岸地形等，可供模型動床鋪砂布置。2、由歷年之濁水溪河口海岸地形變化、河道主深槽高程變化及流路變遷可知，河口海岸地形有外移淤積趨勢，河道流路呈現辮狀特性，100年河道主深槽之流路寬度約介於600公尺~2,300公尺，底床平均坡度從斷面S33~西濱大橋(斷面S12)約為1/1,407，西濱大橋~河口(斷面S1)約為1/2,159。3、民國110年取得濁水溪河口斷面右灘S10附近之右灘臨水側河床質粒徑分析結果，d_50=0.26毫米，粒徑分布指數1.80，屬於均勻砂樣。河道曼寧n值在斷面S1~S12及斷面S12.1~S33，分別取為0.025及0.027。 (三)河防、排水路及跨河構造物本計畫範圍左岸河防構造物計有許厝寮堤防等6段堤防，右岸有大城南段海堤及下海墘堤防等3段堤防。主要的排水路均在左岸，分別是八角亭大排與大義崙大排，跨河構造物則僅有臺61號西濱大橋一座。 (四)河道輸砂量1、蒐集水利署第四河川局數模採用之河道總輸砂量估算，係以溪州大橋實測之流量-泥砂濃度率定曲線做為其上游泥砂邊界條件之引用依據。2、依據國科會現地實測研究，濁水溪河道推移載約為總輸砂量之0.7%~30.6%，而大流量時(大於1,000立方公尺/秒)，則普遍在1%左右。 (五)河口地形高程主深槽沖淤變化民國100年~102年濁水溪河口段(斷面S1~S12)河道主深槽各區塊平均高程大都呈現淤積現象，其整體之淤積量分別約為0.108公尺(民國100年~101年)與0.559公尺(民國100年~102年)。 (六)河口減淤策略水利署第四河川局於111年提出濁水溪河口6項減淤策略，分別是零方案(CASE A)、複式斷面(CASE B)、維持策略(CASE C)、出海口深槽流路(CASE D)、出海口導流設施1(CASE E)、出海口導流設施2(CASE F)。 (七)工程規劃方案水利署第四河川局於110年對於本計畫範圍之河道整理工程規劃方案，提出複式斷面黃、藍線範圍之改善策略，包含低水流路治理及中、高灘地培厚綠覆。另於111年提出本計畫範圍之束水攻砂方案布置，其改善工法推動包括短期(Ai)、中期(Bi)與長期(Ci)等措施。數模結果之零方案(現況案)與維持策略案(工程方案)於河口水深-5公尺處之總輸砂量分別為本計畫第1場洪水69.7萬立方公尺與109.6萬立方公尺，第3場洪水46.9萬立方公尺與67.0萬立方公尺，第7場洪水252.9萬立方公尺與321.0萬立方公尺。 (八)本所以往試驗報告 本所民國65年6月~民國79年6月執行「濁水溪研究與水工模型試驗計畫報告」(第1期~第15期)，規劃試驗範圍自濁水溪河道斷面S62~河口段。其中重要的理論依據，包括模型相似理論(福祿相似律、中規模河床形態相似、小規模河床形態相似)及輸砂量分析(採用蘆田、道上之推移載輸砂公式及動床模型試驗時間推算)等之決定，均可供本計畫援引參用。三、模型設計布置 考慮模型相似律等尺度分析結果，模型採不等比模型(水平比λ_l=1/300，垂直比λ_h=1/50)，並以現場原體砂d_50=0.26毫米來鋪設動床模型底床及上游加砂。 以民國100年之DEM河口、河道地形與實測河道斷面S1~斷面S33為依據，針對7場洪水事件分別進行原體與不等比模型之SRH2D二維定床變量流數值模擬，計算得到斷面S33各項水理因素，並以蘆田、道上經驗式估算其推移質輸砂量。經初步檢驗原體與不等比模型之相似性，包括小規模河床形態相似、中規模河床形態相似、不等比模型試驗時間是否適當等項後，顯示本計畫以原體砂不等比動床模型進行模型塑造布置，搭配各場洪水事件進行模型之檢定、驗證、現況與工程方案等之試驗探討，整體而言，原體與不等比模型之相似條件尚稱符合，模型試驗場地布置如摘圖1。 四、模型檢定與驗證試驗 (一)流量率定 試驗流量係以頭水箱90度三角堰之水尺水位做為觀測控制，率定結果迴歸式之堰上水頭指數2.47與郭慶潔(1974)之2.48及理論值2.50相近，因此，採用本研究90度三角堰之堰上水頭(h:公尺)流量迴歸式為Q_m=1.3435×h^2.47 (1)式中Q_m為模型流量(立方公尺/秒)，h為堰上水頭(公尺)。為配合變量流動床模型試驗所需，將第1場~第7場洪水事件歷線都分割成若干階段時間，分別是17階段、11階段、11階段、9階段、13階段、10階段及17階段，並藉由頭水箱另一側矩形堰分流指示刻度來調控三角堰各階段之出流量。 (二)加砂量估算 上游加砂量係以蘆田、道上經驗式來進行估算，各場洪水事件之試驗時間與加砂量分別為：第1場(153.11分鐘，43.10公斤)、第2場(80.67分鐘，38.81公斤)、第3場(85.36分鐘，20.80公斤)、第4場(46.12分鐘，17.36公斤)、第5場(128.15分鐘，19.80公斤)、第6場(75.27分鐘，14.71公斤)、第7場(154.45分鐘，69.62公斤)。 (三)試驗量測 擬定民國100年之河口海岸地形(斷面S-14~S0)及河道地形(斷面S1~S32)計47個斷面，做為試驗前、後底床沖淤變化之比較斷面。試驗前，當完成陽板鋪砂後，首先量測各斷面底床；試驗過程中，於各階段流量轉換前約1分鐘，均量測西濱大橋(位於斷面S12)P14與P15橋墩上游側之水位及表面流速；試驗結束退水後，則量測各斷面之底床高程與下游沉砂槽收砂(現況及工程方案)，其中，斷面S1~S12之河道主深槽平均高程沖淤變化，為模型檢定與驗證之評估比較範圍。 (四)檢定試驗 檢定試驗總計進行3次，均以第1場及第2場洪水事件各階段流量搭配下游潮位及上游加砂量來進行，而第1次~第3次檢定試驗之上游加砂量估算，係分別以蘆田、道上經驗式計算值的1倍、0.5倍及3倍來求得者。 1、河道流路：3次檢定試驗過程之水理流況顯示，西濱大橋上游之洪水主要流路均偏向於河道右側，水流通過西濱大橋後，主流路仍集中在右側，繼而流經開闊河口海岸地形，水流較為分散，惟仍約略可看出分為兩股流路，其主要流路有偏向西北側的流態；依照第1次檢定試驗後所形成較明顯的河道底床砂波形態，擬定各斷面河道主深槽寬度，顯示河口段(斷面S1~S12)之河道主深槽寬度介於750公尺~2,325公尺，西濱大橋上游則介於600公尺~1,680公尺。 2、西濱大橋水位檢定：3次檢定試驗之兩場階段洪峰水位與實測值間的差距分別介於0.01公尺~0.09公尺及0.27公尺~0.42公尺，均能夠達到良好的結果，惟仍以第1次檢定試驗之水位檢定值與實測值較為接近；3次檢定試驗各階段流量之水位差平均值與RMSE都相差不多，分別介於0.43公尺~0.53公尺及0.60公尺~0.65公尺。整體而言，本模型在不同加砂量檢定條件下，對於階段洪水位皆可以達到一定程度的信賴區間。 3、河道主深槽沖淤檢定：3次檢定試驗之河口段整體(B1~B4)沖淤深度檢定值分別為0.438公尺、0.487公尺及0.521公尺，均較實測值(0.108公尺)為高，惟以第1次檢定值較為接近，據此，本計畫上游加砂量採1倍蘆田、道上經驗式之計算值來進行後續之模型驗證試驗。 (五)驗證試驗 驗證試驗係以第1場~第6場洪水事件各階段流量搭配下游潮位及上游加砂量來依序進行者，試驗過程之河道流路與檢定試驗流態類似。 1、西濱大橋水位驗證：第2場及第3場洪水事件與實測值間有稍大的洪峰水位差值(0.66公尺與-0.84公尺)，餘4場洪水事件之洪峰水位驗證值與實測值均甚為接近，介於-0.10公尺~0.17公尺；各場洪水事件階段流量之水位差平均值與RMSE均小於0.50公尺，因此，本模型在以蘆田、道上經驗式來計算加砂量條件下，對於各階段洪水位可以達到良好的信賴驗證。 2、河道主深槽沖淤驗證：驗證試驗之河口段整體(B1~B4)沖淤深度驗證值為0.591公尺，與實測值0.559公尺之差值甚小。因此，由前述西濱大橋水位驗證與本項河口段河道主深槽沖淤驗證結果，認為本計畫採用蘆田、道上經驗式來進行後續現況與工程方案之加砂量估算、水理與河道沖淤探討，可以得到適當的驗證與信賴。五、現況與工程方案試驗 (一)現況試驗 以修改後之民國107年河口海岸及河道地形，搭配第1場洪水(〖Q_1.11~Q〗_2)、第3場洪水(〖Q_2~Q〗_5)及第7場洪水(〖Q_5~Q〗_10)，分別進行現況動床變量流加砂試驗。1、河道流路：現況3場洪水試驗過程之水理流況顯示，西濱大橋上游之洪水主要流路均偏向於河道右側，洪水流量約在1,300~2,000公尺/秒時，斷面S26~S28之上游流路於左側會溢淹次要流路，約在3,000立方公尺/秒時，斷面S25會開始溢淹左側高灘，水流通過西濱大橋後之流路與檢定試驗類似；試驗後河口段河道主深槽寬度介於825公尺~2,505公尺，西濱大橋上游則介於615公尺~1,245公尺。2、西濱大橋水位：3場洪水階段洪峰水位與實測值間的差距介於-1.60公尺~-0.72公尺，顯示，在107年地形下，現況案3場洪水之洪峰水位均較101年、102年及106年時之洪峰水位實測值下降許多，初步研判原因，應係與歷年河口段與出海口海岸地形之變化有關；3場洪水各階段流量下之水位差平均值與RMSE分別介於-0.16公尺~-0.06公尺及0.34公尺~0.65公尺，亦顯示現況案3場洪水各階段洪水位與實測值間多呈現水位下降的趨勢。3、河道主深槽沖淤及河口輸砂：3場洪水大多形成淤積型態(淤積深介於0.016公尺~0.658公尺)，僅少數斷面會有沖刷(深度介於-0.010公尺~-0.428公尺)，整體河段(斷面S1~S28)之平均沖淤深分別為第1場洪水0.148公尺、第3場洪水0.144公尺、第7場洪水0.222公尺；3場洪水試驗後，於下游河口海岸-5公尺水深處，收得底床推移載之乾砂重換算成原體體積，分別為16,030立方公尺、4,483立方公尺及73,460立方公尺，經與數模結果總輸砂量之比值，分別為2.30%、0.96%及2.90%，這與國科會報告之現地實測比值普遍在1%左右之調查結果相近。 (二)工程方案試驗 以水利署第四河川局提供之束水攻砂工程方案布置，進行模型布置修改，再分別搭配第1場洪水、第3場洪水及第7場洪水，分別進行工程方案動床變量流加砂試驗。1、河道流路：工程方案3場洪水試驗過程之水理河道流路與現況案類似，西濱大橋上游洪水流量約在1,300立方公尺/秒~2,000立方公尺/秒時，斷面S26~S28左側會開始溢淹高灘，約在3,000立方公尺/秒時，斷面S28之上游流路於左側會溢淹次要流路，約在4,300立方公尺/秒時，斷面S24會開始溢淹左側高灘；試驗後河口段河道主深槽寬度介於792公尺~1,824公尺，西濱大橋上游則介於675公尺~1,191公尺。2、西濱大橋水位：3場洪水階段洪峰水位與實測值間的差距介於-1.40公尺~-0.62公尺，顯示，工程方案3場洪水之洪峰水位均較101年、102年及106年時之洪峰水位實測值下降許多；3場洪水各階段流量下之水位差平均值與RMSE分別介於-0.08公尺~0.12公尺及0.34公尺~0.66公尺，顯示，工程方案除第1場洪水各階段洪水位與實測值間整體呈現水位下降的趨勢外，第3場洪水與第7場洪水之整體洪水位則有略微上升的情形。3、河道主深槽沖淤及河口輸砂：3場洪水大多形成淤積型態(淤積深介於0.010公尺~0.838公尺)，僅少數斷面會有沖刷(深度介於-0.018公尺~-0.229公尺)，整體河段(斷面S1~S28)之平均沖淤深分別為第1場洪水0.287公尺、第3場洪水0.154公尺、第7場洪水0.344公尺，另檢視斷面S14~S9之平均沖淤深，顯示，本河段工程方案似略有河道束縮效應產生；3場洪水試驗後，於下游河口海岸-5公尺水深處，收得底床推移載之乾砂重換算成原體體積，分別為32,298立方公尺、30,872立方公尺及71,389立方公尺，經與數模結果總輸砂量之比值，分別為2.95%、4.61%及2.22%，這與國科會報告之現地實測比值普遍在1%左右之調查結果亦相近。六、試驗成果綜合檢討 (一)上游加砂量 決定上游加砂量，係以民國100年~民國102年濁水溪河口段斷面S1~S12整體區塊B1~B4之河道主深槽平均沖淤深變化為檢定驗證主導基準，並以西濱大橋水位歷程為輔助擇取依據。檢定結果，以1.0倍蘆田、道上經驗式估算上游加砂量所得之平均沖淤深檢定值最接近實測值，因此，據以來進行後續之驗證、現況及工程方案等試驗探討。 (二)河道流路 對於不同洪水事件(檢定試驗2場、驗證試驗4場、現況3場、工程方案3場)顯現出西濱大橋上、下游之洪水主要流路均偏向於河道右側，當流經開闊河口海岸地形後，水流雖分散，惟仍約略可看出分為兩股流路，其中，主要流路偏向西北方向，而另一小股次要流路則偏向西側。試驗結果顯示，鄰近大城海岸區域會產生較明顯的淤積潛勢(與水利署第四河川局數模分析結果約有10.6%的泥砂淤積趨勢相同)，而在西側-5公尺水深區域之海岸地形淤積則相對減少許多。 (三)西濱大橋水位 現況與工程方案在第1場洪水時，具有相同的洪峰水位差及平均水位差，而在第3場洪水與第7場洪水時，工程方案則有略高的水位差值。另由工程方案在3場洪水之洪峰時，均較現況有較大的表面流速(約大於0.20公尺/秒~0.28公尺/秒)，亦可輔助說明工程方案可以提升束水攻砂之成效；西濱大橋現況與工程方案3場洪水之物模量測值與數模之上游2倍加砂量模擬結果比較顯示，對於洪峰時之水位差值介於-0.81公尺~0.12公尺，各階段流量之平均水位差值介於-0.03公尺~0.33公尺，RMSE值介於0.25公尺~0.49公尺，因此，整體而言，西濱大橋水位之物模與數模結果，具有尚稱良好的一致性。 (四)河道主深槽沖淤 現況與工程方案3場洪水大多形成淤積型態，整體河段(斷面S1~S28)之沖淤深平均值為現況0.171公尺，工程方案0.262公尺，其差異性不大。現況在斷面S12~S22有較大的淤積深度平均值，其與工程方案之差值約0.123公尺，而工程方案則在斷面S1~S12及斷面S22~S28有略大的淤積深平均值，其與現況之差值約0.243公尺。 (五)河口輸砂量 3場洪水之工程方案河口推移載輸砂量分別為現況案的2.01倍、6.88倍及0.97倍。初步認為這樣的倍數顯示，工程方案在重現期Q_1.1~Q_5時，洪水大多可以束縮在河道深槽內，且隨著洪水流量增大而加大，而在Q_5~Q_10洪水時，則較不明顯，研判應是洪水來砂量大且沿程較多漫灘，以至造成兩者流場相似所致；現況與工程方案3場洪水之物模試驗原體推移載輸砂量與數模(1倍與2倍加砂量)總輸砂量之平均比值分別為，現況案2.06%(1.64%)及工程方案3.26% (2.50%)，均與國科會經由現地實測河道推移載與總輸砂量之比例，普遍在1%左右之調查結果相近。

AbstractThis project cooperates with the numerical model planning of the Fourth River Management Office, WRA. Through the physical model test by using unsteady-flow and movable-bed test of the Choshui-river, the analysis of the flow path of the river, the change of the bed erosion and deposition, and the amount of bed load transport at the river mouth can provide management Unit numerical model analysis, effectiveness verification of narrowing works and follow-up estuary sedimentation improvement countermeasure research and engineering design reference. Important results of the conclusions and suggestions are described as follows.1.The calibration and verification test results show that the empirical formula used in this project for estimating the bed load transport can properly reflect the change of the average bed scour-silting depth of the main channel at the river mouth.2.The flow path of the Choshui-river is biased towards the right side (north bank) of the channel. The narrowing works on the channel which can play a role in restricting the range of water flow. However, at the river mouth, most of the water flow direction will gradually deviate to the northwest side and go out to sea, so that the coastal area adjacent to Dacheng will have a relatively obvious sedimentation potential.3.There is not much difference between the current situation and the engineering schemes in the water level history of the Xibin Bridge, and the results of the physical model and the numerical model have a good consistency. The engineering schemes have higher surface velocity than the current situation at the peak of the flood, which also reflects that the narrowing works engineering scheme can indeed increase the flow velocity and bed load transport in the river.4.The ratio of the bed load transport between the engineering schemes and the current situation increases (2.01 times to 6.88 times) with the flood peak flow during Q_1.11~Q_5 at the estuary-5m water depth, but it is similar at Q_1.11~Q_5, with no significant difference.5.The ratio of the bed load transport to the total load at the estuary-5m water depth between the simulated results of 1 and 2 times the amount of sand added by the numerical model of the current situation and the engineering scheme is about 1%, and is similar to the ratio of the field survey results of the National Science and Technology Council.6.The layout scope of the engineering scheme is only about to the channel section S4, so that lots of sand carried by the upstream will still be deposited at the estuary. It is suggested that in the future, the remediation scope of narrowing works can be considered to extend to deeper estuaries.7.The Fourth River Management Office, WRA has aimed at improving estuary siltation and increasing the amount of sand transported by rivers to the coast, and proposed improvement plans such as building deep channel flow paths at the estuary and setting up diversion facilities on the north (right) bank of the estuary. It is recommended to carry out the hydraulic model test research of various improvement plans continuously in the future, so as to obtain a better effect of sand transport in the estuary.keyword：Choshui-river, movable-bed, physical model, numerical model, bed load, total load.